새로운 양자 혁신으로 순간이동과 컴퓨팅이 혁신될 수 있다

W 상태의 얽힘 측정 달성. 출처: 교토대/타케우치 연구실

양자 얽힘 이라는 개념은 고전 물리학과 양자 물리학 사이의 간극을 상징합니다. 각 광자의 물리 현상을 개별적으로 설명하는 것이 불가능한 상황을 지칭하는 양자역학의 이 핵심 특징은 각 입자가 고유한 실체를 가져야 한다는 고전적 기대에 정면으로 도전하며, 이는 아인슈타인을 심각하게 우려하게 했습니다. 이 개념의 잠재력을 이해하는 것은 강력한 새로운 양자 기술의 실현에 필수적입니다.

이러한 기술을 개발하려면 다중 광자 양자 얽힘 상태를 자유롭게 생성하고, 어떤 종류의 얽힘 상태가 존재하는지 효율적으로 식별할 수 있어야 합니다. 그러나 상태 추정에 일반적으로 사용되는 방법인 기존의 양자 단층촬영(Quantum Tomography)을 수행할 경우, 필요한 측정 횟수가 광자 수에 따라 기하급수적으로 증가하여 심각한 데이터 수집 문제를 야기합니다.

가능하다면, 얽힘 측정을 통해 원샷 접근법으로 얽힘 상태를 식별할 수 있습니다. 그린버거-혼-차일링거 ( GHZ ) 얽힘 양자 상태에 대한 이러한 측정은 실현되었지만, 다른 대표적인 얽힘 다중 광자 상태인 W 상태에 대해서는 제안되거나 실험적으로 발견된 적이 없습니다.

이러한 사실은 교토 대학과 히로시마 대학의 연구진이 이 과제를 수행하게 된 동기가 되었고, 궁극적으로 W 상태를 식별하기 위한 새로운 얽힘 측정 방법을 개발하는 데 성공했습니다.

"GHZ 상태에 대한 얽힘 측정에 관한 최초 제안 이후 25년이 넘게 걸려서 마침내 W 상태에 대한 얽힘 측정도 얻었고, 3광자 W 상태에 대한 진정한 실험적 시연도 이루어졌습니다."라고 책임 저자인 타케우치 시게키가 말했습니다.

연구팀은 W 상태의 순환 이동 대칭성 의 특성에 주목하고 , 임의의 수의 광자의 W 상태에 대한 양자 푸리에 변환을 수행하는 광자 양자 회로를 사용하여 얽힌 측정을 생성하는 방법을 이론적으로 제안했습니다.

연구진은 고안정성 광학 양자 회로를 사용하여 세 광자에 대해 제안된 방법을 시연하는 장치를 개발했습니다. 이 장치를 통해 장치는 장시간 능동 제어 없이도 안정적으로 작동할 수 있었습니다. 적절한 편광 상태의 세 개의 단일 광자를 장치에 삽입함으로써, 연구팀은 장치가 세 입력 광자 간의 특정 비고전적 상관관계에 해당하는 다양한 유형의 세 광자 W 상태를 구분할 수 있음을 입증했습니다. 연구진은 얽힘 측정의 정확도를 평가할 수 있었는데, 이는 순수한 W 상태 입력에 대해 정확한 결과를 얻을 확률과 동일합니다.

이 성과는 양자 순간이동, 즉 양자 정보 전송 의 가능성을 열어줍니다. 또한 새로운 양자 통신 프로토콜, 다중 광자 양자 얽힘 상태의 전송, 그리고 측정 기반 양자 컴퓨팅을 위한 새로운 방법론 개발로 이어질 수 있습니다.

타케우치는 "양자 기술의 연구 개발을 가속화하기 위해서는 혁신적인 아이디어를 내기 위해 기본 개념에 대한 이해를 심화하는 것이 중요하다"고 말했습니다.

앞으로 연구팀은 이 방법을 더 크고 일반적인 다중 광자 양자 얽힘 상태에 적용하고, 얽힘 측정을 위한 칩상 광자 양자 회로를 개발할 계획입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250912195122.htm